Argon ICP Plasma Simulations Related to the Effect of the Gas Flow Rate and the Location of the Coils to the System Working Parameters

Year 2017, Volume: 5 Issue: 2, 29 - 38, 31.05.2017

T.Yaşar Katırcıoğlu , Ahmet Tuğhan Balkan Erdal Bozkurt

https://doi.org/10.21541/apjes.292612

Abstract

The usage areas of the plasmatron has been increasing
due to the very high level of temperature which they can reach. They are used
widely in the plasma-wind tunnels to create the atmospheric test conditions of
high velocity aircrafts and spacecrafts while entering atmosphere.
Additionally, most efficient coal and bio-mass burning also, syngas production
from burning of the coal and biomass can be achieved with the high temperature
plasmatrons. They are also used in the tests of high temperature resistance
materials, plasma metallurgy and related scientific researches.  The usage of simulation is very important to
determination and verification for technical requirements of a plasma and
plasmatron system before it’s production, the time, cost and technical risks
can be minimized before investing money to the production and development by
simulating the related plasma system. In this work, a system that is consisted
of inductive coupled plasma (ICP) is investigated by making related computer simulations.
Investigated simulations are gas flow simulation, heat transfer simulation and
plasma simulation and, these simulations are performed as coupled.  In these simulations, the RF frequency is
chosen as 13.56 MHz and vacuum pressure is chosen as 1 Torr. This vacuum level
is selected appropriately for atmospheric re-entry experimental conditions. The
mass flow rate is adjusted as a low and a high level, Q₁=3 mg/s and
Q₂= 90 mg/s respectively. With these setting the changes of flow,
heat and plasma parameters are investigated. Totally, 7 different chemical
reaction is added to the realized simulations. The magnetic field distribution,
the electric field induced from this magnetic field, the magnetic field
magnitude, flow temperature distribution, convective heat transfer
distribution, plasma gas velocity field, plasma gas pressure distribution and
plasma electron density distribution is calculated in these simulations and,
these results are compared for the different gas mass flow rate. Finally, the
location of the coils which gives the RF electrical energy to the ICP plasma
are slid to where the plasma gas is leaving from the geometry which respect to
symmetry axis-z. The simulations are performed when the coils are in the middle
and in the gas exit of the geometry. In these two different configurations, the
power which this system is taken and mass flow rates are kept the same. These values
are 3500 Watt and 90 mg/s respectively. Afterward with the change of the coils
location, the plasma electron temperature and plasma gas temperature are
investigated for 1-D and 2-D distribution and they are compared for discussion.

Keywords

Plasma, plasmatron, inductively coupled plasma (ICP plasma), coal and biomass burning, gasification, modeling, simulation

İndüksiyon Eşlenikli Argon Plazmasında Akış Debisi ve Bobin Lokasyonunun Sistem Çalışma Parametrelerine Etkisi İle İlgili Simülasyonlar

Abstract

Plazmatronların üretebildikleri yüksek sıcaklıktaki plazma sayesinde kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır. Yüksek sıcaklıktaki ve hızdaki plazma akışları kömür ve biyokütle atıklarının yakılması, gazlaştırılması, hava araçlarının atmosfere yeniden giriş koşullarının simüle edilmesi, ısı koruma malzemeleri üretimi, plazma metalürjisi, aşınma-kaplama uygulamaları ve bilimsel araştırmalar gibi pek çok yüksek sıcaklık teknolojisinde kullanılmaktadır. Teknik gereksinimleri karşılayacak plazmanın tanımlanabilmesi ve tanımlanan plazma isterlerinin, üretimden önce simülasyonları yapılarak incelenmesi, zaman, maliyet ve teknik risklerin asgariye indirilmesi açısından çok önemlidir. Bu çalışmada düşük basınçta indüksiyon eşlenikli Argon plazması (Inductive Coupled Plasma-ICP) ile ilgili simülasyonlar gerçekleştirilmiştir. Simülasyonda kullanılan RF frekansı 13.56 MHz, vakum değeri 1 Torr seçilmiştir. Bu vakum değeri atmosferik yeniden giriş deneysel uygulamalarına uygun olarak seçilmiştir.  Çalışmada; gaz akışı simülasyonu, ısı transfer simülasyonu ve plazma simülasyonu eşlenikli olarak gerçekleştirilmiştir. Gaz akış miktarı (Q), düşük ve yüksek debi etkilerinin net gözlenebilmesi için iki farklı değer olarak, Q1=3 mg/s ve Q2= 90mg/s seçilmiştir. Simülasyonlarda toplamda 7 farklı kimyasal reaksiyon hesaba katılmıştır. Sistemde oluşan manyetik alan ve bunlara karşılık gelen elektrik alan çizgileri, manyetik alan büyüklüğü dağılımı, sıcaklık dağılımı, konvektif ısı akış dağılımı, gaz akış hız dağılımı, gaz basıncı değişimi değerleri ve elektron yoğunluğu dağılımı, iki farklı gaz debisi için simülasyonlarda hesaplanmış ve bu iki durum için söz bu değerler birbirleriyle karşılaştırılmıştır. Son olarak sistemi dalgalı-AC akım ile enerjilendiren indüksiyon bobinlerinin yeri simetri ekseni-z boyunca yukarıya, gaz çıkışına doğru kaydırılmış, bobinlerin yeri sistem geometrisine göre ortada ve sonda iken simülasyonlar yapılmıştır. Bu hesaplarda her iki durum için bobin elektriksel gücü ve akış kütle debisi sabit tutulmuştur. Ardından bobinlerin lokasyonundaki değişimin elektron yoğunluğu ve plazma gaz sıcaklığına olan etkisi 1-boyutlu ve 2-boyutlu dağılımlarla incelenmiştir. 

 

Keywords

Plazma, plasmatron, inductively coupled plasma (ICP plasma), kömür ve biyokütle yakma, gazlaştırma, modelleme, simülasyon

References

• T. I. To, K. I. Shida, M. M. Izuno, T. S. Umi, and F. Science, “Construction of a 110kW ICP ( Inductively Coupled Plasma )